声纳信号处理中UDP协议数据传输研究与设计

摘要：为了在声纳系统中通过以太网口进行大批量、高速率的数据传输处理，在FPGA中硬件实现了嵌入式UDP协议栈，完成了架构设计、软件仿真验证及硬件实现。用FPGA硬件实现UDP协议栈，加速了网络数据处理能力，使信号传输速率达到了80MB／s，实现了千兆级通信，很好地提高了声纳系统中数据传输速率和系统性能。同时，用FPGA硬件实现UDP协议，栈减小了PCB版图面积和布局布线复杂度，提高了开发效率，有效地降低了开发成本。
关键词：UDP协议；FPGA；数据传输；信号处理

0 引言
    UDP协议是一个简单的面向数据报的传输层协议，提供不呵靠的传输层服务。它只负责将应用数据打包交给网络层，但是不保证数据报能正确到达。UDP协议提供了一种最简单的基于数据包的、不可靠的传输机制。其特点是以数据包为最小传输单位，并且没有任何流量控制机制，适合传输效率要求较高且对传输可靠性要求不高的情况。
    现有XXX型号声纳系统需要实现Link口转UDP格式数据传输，以满足大批量、高速率的数据传输要求，现有的CPU和软件协议栈无法满足此要求。经仔细研究，发现用FPGA硬件实现UDP协议栈，可以很好地提高数据传输速率，满足该声纳系统的性能要求。本文实现了一种可配置、可重用的硬件UDP协议栈，完成了UDP协议的FPGA设计：设计了UDP发送端模块，UDP接收端模块以及Link端模块等，同时对所设计系统进行了验证。经过实际验证，系统数据通信速率达到了80 MB／s，实现了千兆级以太网通信，很好地提高了声纳系统中数据传输速率和系统的性能，满足了XXX型声纳系统对大批量、高速率数据传输的要求。并且，此方案减小了PCB版图面积和布局布线复杂度，可以移植到任何其他的FPGA设计中，使开发效率得到了极大的提高，有效地降低了开发成本。

1 声纳系统信号处理中UDP协议的FPGA设计
1．1 UDP模块设计
    UDP包头包括IP，端口号，UDP包长度，CHECKSUM四个部分。并且UDP信息包的标题很短(标题即头部)，只有8 B，其中，源端口(2 B)、目的端口(2 B)、长度(2 B)、校验码(2 B)。这里设计的架构通过发送端对数据进行打包，通过接收端进行解包。
    UDP协议的FPGA架构如图1所示。

    发送端(Tx)是头信息生成模块，从Link口发出的数据传入发送模块Tx内。然后，发送模块Tx中的裸数据发送到数据缓冲区RAM中，经由PartenGen模块在数据前面添加首部，即为数据进行传输层协议UDP打包。传输层协议打包好的数据传输到物理层模块，通过物理层调节芯片传送到以太网口。发送完成后，发送模块恢复空闲状态，等待下一次数据发送。在发送过程中，传输数据的IP地址是固定的。UDP发送过程没
有可靠性的保证机制，只是进行数据的打包传输。发送模块结构图如图2所示。
    外部数据从以太网口经过物理层传入到接收端的数据缓冲区RAM中，外部数据是UDP格式的数据。接收模块Rx从数据缓冲区RAM中提取数据，在提取的过程中，Rx模块中的应用程序将UDP格式的数据的首部去除，只提取有效载荷部分。根据UDP数据包中的目的端口号，Rx将去UDP格式化的裸数据发送给Link口，完成接收端模块的功能任务，其示意图如图3所示。

1．2 Link模块设计
    在发送过程中，外部数据经过Link口传输给发送模块(Tx)进行打包处理，然后传输至MAC。Link端模块设计如图4所示。

    当acki为0时开始进行数据传输。工作时，有3个时钟输入：Link口时钟clk和clk270，以及系统本地时钟clk4。其中，clk4的频率是Link口时钟的1／4。Link的时序效果图如图5所示，在时钟的卜升沿与下降沿进行数据存写。双倍速率的数据通过Link后被分为单倍速率的数据写入UDP发送端Tx中。从Link出来的数据传入发送端Tx时，时钟每跳变一次，地址增加一次，发送端Tx将增加的地址写入到数据缓冲区RAM中，进行打包。

2 系统实现
    本文在FPGA中对所设计的系统进行了验证与硬件实现。发送过程的QuartusⅡ8．0仿真波形图如图6所示。
    接收过程QuartusⅡ8．0仿真波形图如图7所示。

    本系统中FPGA选用的是Altera公司的EP2S60F672C5。系统有3个时钟域：系统时钟、发送时钟、接收时钟。其时序分析结果如表1所示。

    从表1中可以看出，系统时钟为83．28 MHz，发送和接收时钟分别达到93．57 MHz，79．16 MHz。因此，整个系统能够满足80 MB／s的速率要求。

3 结语
    本文提出采用FPGA实现UDP协议栈，完成了架构设计、软件仿真验证及硬件实现。FPGA实现UDP协议栈的引入，加速了网络数据处理能力，提高了开发效率，降低了开发成本，很好地提高了声纳系统中数据传输速率和系统性能。